Sintesis de nanopartículas semiconductoras vía microondas

Por Enrique Saiz Cascajares

     En los últimos años se ha suscitado un especial interés en semiconductores a escala nanométrica, en especial, en los sulfuros de los metales de transición, semiconductores que tienen aplicaciones como: sensores, filtros ópticos, celdas solares, sistemas fotocatalíticos, entre otras.

     Los nanocristales semiconductores son interesantes debido a que sus propiedades electromagnéticas presentan una estrecha dependencia con el tamaño de partícula y la morfología de la misma.

     Entre los semiconductores que es posible crecer se encuentran el CdS, CdSe, CdTe, ZnS y ZnSe. De entre todos ellos es el ZnS es uno de los más utilizados en dispositivos ópticos debido a su alto índice de refracción y alta transmisión en el rango del visible, además de que su uso representa un menor impacto ambiental.

     Existen distintas rutas para la síntesis de estas nanopartículas semiconductoras, siendo las más utilizadas: la evaporación térmica, solvotermal, y microondas. Cada una de ellas tiene sus propias características:

» La evaporación térmica consiste en el calentamiento hasta la evaporación del material que se pretende depositar. Se lleva a cabo en una cámara de vacío en la que se condensa el vapor sobre una lámina fría requiriendo en todo momento un control preciso de las condiciones de crecimiento para no producir una modificación de la morfología de la capa depositada.

» La síntesis solvotermal es una técnica en la cual la reacción ocurre en un recipiente a presión, en la que los solventes se calientan a alta temperatura, sin embargo los tiempos de reacción son largos.

» La técnica de irradiación con microondas produce nanopartículas con una muy baja dispersión de tamaño, aunque aún se requiere un control preciso en el tamaño y morfología como en las otras técnicas.

Sitio Web: http://blogs.creamoselfuturo.com/nano-tecnologia/category/nanomateriales-y-nanodispositivos/

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Células madre y nanotecnología para regenerar cartílago

     Las articulaciones son de las primeras partes del cuerpo en sufrir los inevitables estragos del envejecimiento: el cartílago se puede romper haciendo deporte o bien ir desgastándose con el paso de los años debido al uso. Actualmente, los científicos están experimentando con una combinación de células madre y novedosos materiales estructurales diseñados para imitar el tejido real, con la esperanza de hacer desaparecer definitivamente el dolor que acompaña este problema y, quizá, lograr prevenir la aparición de artritis. En modelos animales, estos trasplantes parecen estimular la regeneración de un cartílago que se parece más al tejido natural. 

     El daño del cartílago suele desembocar en osteoartritis, una enfermedad articular degenerativa que afecta a cerca de la mitad de la población de 65 años. Los tratamientos existentes para estos pequeños problemas de cartílago normalmente requieren inflingir un daño adicional en la articulación enferma; o bien un trasplante de células cartilaginosas, denominadas condrocitos, que se obtienen de una articulación sana, se desarrollan en forma de cultivo y se inyectan en la zona dañada. Ambos procedimientos activan el desarrollo del nuevo tejido, una versión de cartílago similar al de una cicatriz, más fibroso que el cartílago normal y que no suele tener su misma durabilidad.

     En un intento por regenerar realmente el cartílago en lugar de parchearlo, Rocky Tuan, director de la Cartilage Biology and Orthopedics Branch del National Institute of Arthritis and Musculoskeletal and Skin Diseases, de Baltimore, y sus colegas desarrollaron una estructura de nanofibra similar estructuralmente a la matriz extracelular, un material fibroso que proporciona un apoyo al tejido conectivo del cuerpo. La estructura se genera mediante electrospinning, un proceso importado del sector textil. Los investigadores aplican un fuerte campo eléctrico a un polímero líquido, que forma fibras alargadas en un intento por disipar la carga. 

     La estructura a nanoescala del material es la clave: los experimentos han indicado que las células se desarrollan mejor en una estructura de fibras a nanoescala que en una escala milimétrica hecha del mismo metral. 

     La estructuras se crean a partir de células madre mesenquimales (células madre adultas derivadas de la médula espinal, tejidos grasos u otras fuentes y que pueden diferenciar entre músculo, hueso, grasa y cartílago). "La ventaja es que no es necesario dañar otro tejido para obtener las células", señala Tuan.

Sitio Web: http://www.cienciaysociedad.info/nano/2009/05/celulas-madre-y-nanotecnologia-para-regenerar-cartilago/

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Calentamiento inductivo de nanopartículas para tratar el cáncer

       La empresa zaragozana nanoScale Biomagnetics trabaja en el desarrollo y fabricación de equipos para HTM, una técnica que consiste en el calentamiento inductivo de nanopartículas magnéticas con fines terapéuticos, especialmente para tratar tumores malignos.

     Según indicó el científico Nicolás Cassinelli a Europa Press, el calentamiento por inducción, que se aplica desde el siglo XIX, supone que un material magnético es expuesto a un campo también magnético variable para que se produzcan corrientes en su interior que pueden llegar a calentarlo.

     Esta técnica, unida a la nanotecnología, permite fabricar materiales magnéticos de tamaños cercanos al átomo, "cientos de veces más pequeños que las células de nuestro organismo" y que, por lo tanto, se pueden utilizar para introducirlos o depositarlos sobre las células de un tumor, luego calentarlos por acción de un campo magnético aplicado desde el exterior y utilizar este calor para matar el tumor.

     La gran potencialidad de esta aplicación reside en que se trata de un nuevo mecanismo que busca mejorar la selectividad del tratamiento oncológico, es decir, tratar el cáncer con la menor repercusión posible para el resto de los tejidos y sistemas del cuerpo.

     Una de las ventajas de esta terapia es que al utilizar nanopartículas magnéticas se aplica el calor solamente en los puntos en que se han depositado previamente las nanopartículas, sin afectar otras áreas, porque los campos usados no afectan a los tejidos sin ayuda de éstas.

     El objetivo inmediato de nanoScale es poner a disposición de los investigadores el equipamiento necesario para realizar todo tipo de ensayos relacionados con la búsqueda de nuevos materiales y la experimentación en muestras biológicas y animales.

     En una segunda etapa desarrollarán equipos para la aplicación experimental en pacientes, según las necesidades de los investigadores. El objetivo final, al igual que el de los propios investigadores básicos, es el de llegar a la aplicación rutinaria en pacientes.

Sitio Web: http://www.cienciaysociedad.info/nano/2010/01/calentamiento-inductivo-de-nanoparticulas-para-tratar-el-cancer/

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Nanotecnología y Salud

Nanotecnología en nuestra vida cotidiana: posibles riesgos

     Es lógico pensar que a medida que la nanotecnología se acerca al consumidor general, éste comience a mostrar cierta curiosidad por los beneficios, y sobre todo por los riesgos que puede suponer para él. El desconocimiento sobre la materia no ayuda mucho a la integración de la nanocomida en la vida cotidiana.

     Según el artículo "The Development of regulations for food nanotechnology" (2007) el riesgo que implica la nanotecnología aplicada a la comida está aún por evaluar y no se tienen datos (a fecha de publicación del artículo) concluyentes en muchos campos. Adelantándose a una regulación definitiva y unos datos fiables, el Comité de seguridad Química de la Sociedad Americana de Química ha publicado unas guías y recomendaciones para el apropiado manejo de nanomateriales en el laboratorio.Los autores plantean tres posibles rutas de entrada en el organismo humano para las nanopartículas:

Exposición Dérmica

     El impacto de los nanomateriales en el cuerpo depende de su habilidad para penetrar a través de las capas externas protectoras y alcanzar la epidermis o la dermis. Por ejemplo, ciertas microesferas fluorescentes pueden penetrar hasta alcanzar la dermis, mientras que nanopartículas de dióxido de titanio con un diámetro de unos 20 nm podrían llegar a traspasar la piel e interactuar con el sistema inmune.

     Hay, no obstante, muy poca información sobre los peligros de los nanomateriales que entran en contacto con la piel, y estas discusiones, a fecha del informe, son meras especulaciones.

Inhalación

     Cualquier material sólido con un diámetro de menos de 10 micras puede pasar a través de la cavidad nasal y alcanzar los pulmones. Partículas más pequeñas que 4 micras tienen grandes posibilidades de penetrar en la región alveolar. Cuánto más pequeña es una partícula, más probabilidades tiene de penetrar más profundamente en los pulmones. El tamaño de la partícula, su masa, la composición química y los cocientes de adhesión determinan su toxicidad pulmonar o sus efectos patogénicos.

     Cuando se inhalan ciertas partículas (por ejemplo dióxido de titanio, nanotubos de carbono, etc.) se pueden acumular en los pulmones e inducir enfermedades crónicas como inflamación pulmonar, neumonía, granuloma pulmonar, etc. Una vez la partícula ha alcanzando el torrente sanguíneo es capaz de llegar al cerebro. No obstante, hasta el momento del informe no se han llegado a conclusiones definitivas sobre la toxicidad considerando únicamente el tamaño de las nanopartículas.

Ingestión

     El tamaño de la partícula y el área superficial son características importantes de un material desde una perspectiva toxicológica. Las nanopartículas pueden prolongar drásticamente el tiempo de permanencia de ciertos compuestos en el tracto gastrointestinal haciendo disminuir la eficacia de los mecanismos de depuración y protección internos. Algunas nanopartículas son capaces de penetrar profundamente en los tejidos a través de los capilares más finos, permitiendo la absorción efectiva de compuestos en ciertos objetivos del organismo, adentrándose así en el campo de la nanomedicina. Partículas mayores que una micra son incapaces de penetrar a través de la mucosa intestinal, pero las nanopartículas se encuentran por debajo de este tamaño.

     Los potenciales riesgos de la nanotecnología aplicada a la comida están aún por determinar, ya que en la propia naturaleza encontramos numerosas nanopartículas sin intervención alguna del hombre: proteínas y polisacáridos son ejemplos de ello. Aún permanece indeterminado si las propiedades físicoquímicas de los nanomateriales implicarán nuevos mecanismos y daños impredecibles al cuerpo humano.

     Por otro lado, la reducción de las dimensiones de los materiales a escalas nanométricas no tiene porqué ser necesariamente perjudicial. Algunos estudios muestran que ciertas substancias típicamente tóxicas, como por ejemplo el selenio, muestran menos toxicidad cuando se reducen a tamaño nanométrico. Los nanotubos de carbono puros administrados en la tráquea de ratones producen la muerte inmediata, mientras que si se dopan con nitrógeno se reduce su peligrosidad.

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Nanoscale Surfaces : Anodic Aluminum Oxide (AAO)

Anodic alumina is a self-organized nanostructured material containing a high density of uniform cylindrical pores that are aligned perpendicular to the surface of the materials and penetrate its entire thickness (see figure). A regular porous structure is formed when aluminum is electrochemically oxidized (anodized) in certain solutions. A thin dense alumina barrier layer separates the pores from the aluminum. The pore diameter is tunable from 5 nm to several hundred nm, with the corresponding pore density in the range from 1012 to 109 cm-2. Dimensions of this porous structure are defined by the synthetic conditions, providing a convenient way to precision engineer the nanoscale morphology. On the low end, the pore diameter approaches the mean free path of selected metal and semiconductors, suggesting that quantum confinement effects might be realized. 

The structure of this material has been known since late 1960-s. Following pioneering work in 1970 and 1980's by Moskovits in Canada and Masuda in Japan, in the last 15 years this material has gained a wide popularity as a template for "bottom-up" nanofabrication.

Anodic alumina is optically transparent, electrically insulating, thermally and mechanically robust and chemically inert. AAO processing is compatible with microfabrication and scaleable to high volume production. Synkera's well-establishe

meters and pore length from 0.1 up to 300 microns, covering the size domain of interest to nanotechnology. Different architectures of AAO are developed and used in our product development efforts, including AAO attached to Al foil, free-standing AAO wafers and AAO nanotemplates integrated onto various non-Al substrates, such as Si wafers and glass to name a few.

Various materials synthesis approaches - electrodeposition, polymerization, sol-gel, chemical vapor deposition and others - can be used for templated nanofabrication of high-density arrays of prepackaged nanostructures inside the pores of the AAO. Intrinsic anisotropic morphology and chemistry of anodic alumina enables unique opportunities for micromachining this nanostructured ceramic, providing extensive opportunities for development of nano- and microdevices.

Web Site: http://www.synkera.com/Technology/aao.html

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Synthesis of Nanostructured Materials Using Template-Assisted Electrodeposition

D. Bera, S.C. Kuiry, and S. Seal

Template-assisted electrodeposition is an important technique for synthesizing metallic nanomaterials with controlled shape and size. Arrays of nanostructured materials with specific arrangements can be prepared by this method, employing either an active or restrictive template as a cathode in an electrochemical cell. An overview of the template-assisted electrodeposition process to synthesize metallic nanostructures is presented in this article.

INTRODUCTION

Metals at the nanometer scale exhibit unusual behavior compared to their bulk counterparts. The manifestation of quantum phenomena in the electron transport of metallic nanowires is an example, as are the interesting magnetic properties of nanoparticles (transition metals) due to spin-polarized transport.1,2 Such unusual properties have generated interest in nanostructured materials for potential applications in biomedical sciences, electronics, optics, magnetism, and energy storage.3,4 These nanostructured materials can be synthesized by a number of techniques, such as inert gas condensation, plasma processing, physical and chemical vapor deposition, electrodeposition, mechanical alloying, rapid solidification, sol-gel, micro-emulsion, spark erosion, and severe plastic deformation.5 Although the use of many such techniques is limited to laboratory scale, inert gas condensation, mechanical alloying, and electrodeposition are among the methods that are available for commercial use. In this article, an overview of nanomaterials synthesis using electrodeposition techniques is presented.

ELECTRODEPOSITION TECHNIQUES

The formation of nuclei on the electrode substrate was extensively studied on the basis of macroscopic thermodynamic considerations. The nucleation of nanostructures on the electrode substrate during electrodeposition is influenced by the crystal structure of the substrate, specific free surface energy, adhesion energy, lattice orientation of the electrode surface, and crystallographic lattice mismatch at the nucleus-substrate interface boundary.6,7 The final size distribution of the electrodeposits, however, strongly depends on the kinetics of the nucleation and growth. The electrodeposition process involves the formation of either an instantaneous or a progressive nucleation.8 In the case of instantaneous nucleation, all the nuclei form instantaneously on the electrode substrate, and subsequently grow with the time of electrodeposition. In contrast, the number of nuclei that are formed is a function of time of electrodeposition in the progressive nucleation. These nuclei gradually grow and overlap, and therefore, the progressive nucleation process exhibits zones of reduced nucleation rate around the growing stable nuclei. The electrodeposition method consists of an electrochemical cell and accessories for applying controlled current at a certain voltage. The cell usually contains a reference electrode, a specially designed cathode, and an anode or counter electrode. The cathode substrate on which electrodeposition of the nanostructure takes place can be made of either nonmetallic or metallic materials. Using the surface of the cathode as a template, various desired nanostructures or morphologies can be synthesized for specific applications. Such a template-assisted electrodeposition process can be broadly divided into two groups: active template-assisted and restrictive template-based electrodeposition.

Active Template-Assisted Electrodeposition

The formation of nanostructures in active template-based synthesis results from growth of the nuclei that invariably nucleate at the holes and defects of the electrode substrate. Subsequent growth of these nuclei at the template yields the desired surface morphology of the nanostructures, which can therefore be synthesized by choosing the appropriate surface of the electrode. Highly oriented pyrolitic graphite (HOPG), for example, is used extensively as an electrode substrate for the electrodeposition of silver,9–11 gold,12 molybdenum,13 palladium,14–16 and platinum17 nanostructures. Electrodeposition initiates at the step edges, dislocations, and defect sites of the electrode surface. Vázquez et al.9 studied the early stages of overpotential deposition of silver on HOPG from silver-ion-containing acidic solution. It was shown that the initial deposition occurred at the step edges of the electrode surface, and silver nuclei were not found on the flat HOPG surface domains. The electrodeposition study10 of silver on the HOPG substrate using in-situ scanning tunneling microscopy revealed that at low over-potentials, the deposition process on the atomically flat terraces of HOPG was inhibited because of weak substrate-deposit interaction leading to preferential silver deposition at step edges and other surface defects. Such step-edge deposition involves the preferential nucleation and subsequent growth of nanoparticles on a certain crystal surface. Figure 1 shows a schematic diagram of step-edge synthesis. Favier et al.16 attempted to fabricate hydrogen sensors and switches with the help of palladium nanoparticles electrodeposited onto the graphite step edges. Stable, two dimensionally branched palladium islands, 100–160 nm in size, were electrodeposited14 on HOPG from an aqueous acidic palladium chloride solution with an excess of sodium perchlorate at a potential of a few millivolts above the threshold potential of the hydrogen evolution reaction. Platinum nanocrystals were deposited17 on the basal plane of HOPG from dilute (1.0 mM) PtCl6 2–- containing electrolytes using a pulsed potentiostatic method. The deposition of platinum nanocrystals occurred via an instantaneous nucleation and diffusion-limited growth mechanism which resulted in a narrow particle size distribution for mean crystallite diameters smaller than 40 Å.

Figure 1. A schematic diagram for synthesis of naanoparticle arrays through active template-assisted synthesis.

The active template-assisted deposition includes numerous other techniques. Nickel nanoparticles with a narrow size distribution have been electrodeposited on a graphite surface using the hydrogen co-evolution method.18 The electrode position of metal at large overpotential invariably results in instantaneous nucleation, which is non-selective, mostly due to the formation of a large number of nuclei on defect-free terraces as well as at defects such as step edges on the surfaces. The nuclei density is expected to be of the order of 109cm–2. The dependence of the number of nuclei on time was investigated6 in a wide range of voltage intervals using different glassy carbon electrodes. The data for the steady-state nucleation rate were interpreted on the basis of both classical and atomistic concepts of nucleation phenomena.

Since electrodeposition occurs at the defect sites, arrays of palladium nanoparticles have been synthesized19 by electrodepositing them on the surface of an aluminum layer obtained from a digital video disc (DVD) that usually has a 50 µm thick aluminum layer between two polycarbonate layers. The aluminum layer with arrays of laser holes was exposed by peeling off one polycarbonate layer, and palladium nanoparticles from a palladium chloride solution were electrodeposited on the holes. Pits in the aluminum layer were created during data recording, and palladium nanoparticles preferentially deposited into the pits, making arrays of metallic nanoparticles. The blank aluminum template and the aluminum template with arrays of electrodeposited palladium nanoparticles are depicted in Figures 2a and 2b, respectively.

a                                                   b                                                Fig. 3

 

Figure 2. Scanning-electron micrographs of an aluminum template (a) blank and (b) with electrodeposited arrays of palladium nanoparticles. Figure 3. Scanning electron micrographs of palladium particles on a freshly cleaved graphite surface.


In order to study the role of electrode surface on electrodeposition, palladium nanoparticles were deposited on a freshly cleaved graphite surface.20 A microscopic investigation found that the palladium nanoparticles were faceted and their shape was mostly spherical, as shown in Figure 3. The faceted characteristic of these particles is more clearly observed in the inset of Figure 3. Nuclei formed at almost all parts of the electrode surface; however, the presence of a large number of nanoparticles near the edges and boundaries (Figure 3) indicates a preferential nucleation process.

In another study,21 the growth of the palladium nuclei was found to be at the grain interior during electrodeposition on an AISI 316 grade stainless-steel electrode. It is well known that nucleation occurs preferentially at the holes or disorder state of the substrate on which the metal is to be deposited. Scanning electron micrographs of the surface of the stainless steel after electrodeposition of palladium nanoparticles at low and high magnifications are shown in Figures 4a and 4b, respectively. Although nucleation occurred preferentially at the grain boundaries, the extensive growth took place only for nuclei within the grain interior, as shown in Figure 4b. The probable reason for the discrepancy in deposition of palladium particles on the grain rather than on the grain boundary is the presence of oxide ridges at the grain boundaries where the formation of chromium oxide is easy at room temperature. Stainless steel consists of 18 wt.% chromium, which forms thin film oxides at room temperature. The oxidation process is more favorable at the grain boundaries because the formation of oxide nuclei at room temperature is energetically favorable due to the presence of defects. Although the formation of nuclei on such stainless-steel templates during electrodeposition of palladium was easy, subsequent growth of nuclei on top of the oxide ridge at the grain boundaries of the steel substrate was slow compared to that of the nuclei at the grain interior. The slow growth rate was attributed to the difficulty in the charge transfer due to the presence of highly resistive oxide film underneath the nuclei at the grain boundaries of the stainless-steel template.

      

a                                                      b                                                   Fig.5

 

Figure 4. Scanning electron micrographs (a) bare and (b) palladium-deposited stainless-steel surfaces after thermal etching. Figure 5. A scanning electron micrograph of palladium particles on carbon tape.

Figure 5 presents the role of amorphous carbon substrate as a template for the electrodeposition of palladium nanoparticles.20 Although the template consists of carbon, the shape of the electrodeposited metallic particle differs from that of the cleaved graphite surface. In the case of the amorphous carbon substrate, the nuclei formed at random locations and fractal growth behavior was observed. In addition, the attachment between the deposits and carbon substrate was weak. All these results strongly indicate that the surface of the active template plays an important role in shape and size distribution of metallic nanoparticles during electrodeposition. Table I presents the various active template substrates used for template-assisted electrodeposition of metallic nanostructures of mostly precious metals such as silver, gold, platinum, and palladium.

Table I. Various Active-Template Substrates Used for Electrodeposition of Metallic Nanostructures

            Template Substrate           Elements Deposited      Size and Shape of Nanostructures                  Ref.

                Highly oriented                             Ag                  Flat island of diameter 0.29 nm                       9 

                   pyrolytic                                                           Clusters of 10 nm diameter                          10 
              graphite (HOPG)                                             Disc (diameter 20–60 nm and height 1.5–5 nm)     11 
                                                                   Au             Aggregate (size 500 nm and height 70 nm)          12 
                                                                   Mo                   Nanowire of 15 nm diameter                         13 
                                                                   Pd               Island of 200–300 nm grain size range               15 
                                                                                  Two-dimensional branched island (100–160 nm)     14 
                                                                                       Mesowires of grain size 50–300 nm                 16
                                                                   Pt                                                                                     17
             Graphite surface                              Pd                                                                                     20
                                                                   Ni                       Spherical particles of 20–600 nm size        18
                                                                   Al                              foil with laser hole Pd Arrays                                                                                                                        of nanoparticles with 5 nm diameter         19
Stainless-steel grain interior Pd                                         Agglomerated particles (average size 70 nm)     21
            Carbon tape                                     Pd                    Meso-sized particles                                   20



Restrictive Template-Based Electrodeposition

Another template-assisted synthesis of mostly metal nanowires involves the deposition of metal into the cylindrical pores or channels of an inert, nonconductive nanoporous electrode material. Track-etch membranes,22 porous alumina,23 and other nanoporous structures including conductive polymers, metals, semiconductors, carbons, and other solid materials have been used as templates to prepare nanometer-sized particles, fibrils, rods, and tubules. Various electrode substrates used for restrictive template-assisted electrodeposition of metallic nanostructures are presented in Table II.Table II. Various Restrictive Template Substrates Used for Electrodeposition of Metallic Nanostructures
Template Substrate Deposited Size and Shape of Nanostructures Ref.
Nanoindented holes Ni-Fe island Diameter of 5 nm 26
Polyethylene glycol Nanostructured Pd Surface areas 50 m2g–1 24
and polyvinyl
pyrrolidone
Semiconductor InAs Magnetic nanowires Magnetic nanowire of width 20 nm 25
quantum well
Mesoporous silica Co nanowires Dimension is not reported 29
Ni and Co Nanowires with 30 nm diameter 27
Pd nanowire Diameter of 7 nm 28


Palladium deposits with high specific surface areas, up to 50 m2g–1, have been synthesized24 from palladium chloride solutions with additions of polyethylene glycol and polyvinyl pyrrolidone. Details of the globular structure of the deposits depend on the polymer additives. A comparison with electrochemically determined true surface areas demonstrates the rare coalescence of nanoparticles.

Figure 6. A schematic electrode arrangement for the synthesis of nanowires though restrictive template-assisted electrodeposition.



Fasol and Runge25 deposited magnetic permalloy (Ni-Fe) nanowires on the edge of an InAs quantum well. Carrey et al.26 used a nanoindented Al2O3-Al foil to preferentially electrodeposit Ni-Fe nanoparticulate arrays from an electrodeposition bath containing a solution of nickel and iron sulfate. Fabrications of arrays of nickel and cobalt nanowires have been reported through electrodeposition at constant potential by Whitney et al.27 In order to fabricate arrays of nanowires on a polycarbonate porous membrane, a copper film was first sputter-deposited to make the working electrode. The electrodeposition solution was confined to the bare side of the membrane so that deposition was initiated onto the copper film through the pores. It was observed27 that the electrodeposition current was directly proportional to the area of electrodeposits at any given potential under a pseudo-steady-state condition. Thin films composed of ordered arrays of palladium nanowires have been electrochemically synthesized28 using silica mesoporous channels. The experimental set-up showing the electrochemical cell along with a restrictive template for electrodeposition is schematically presented in Figure 6. Mesoporous channels have been deposited on a conductive glass substrate. In this method, nanowires with the face-centered-cubic crystal structure (Fm3m) are continuously deposited from the conductive substrate upward until the mesoporous channels are filled.

MORPHOLOGY AND CHARACTERIZATION OF DEPOSITS

The surface morphology of the electrodeposits depends on the structure and chemical composition of the electrode surface as well as other electrochemical parameters. The morphologies of the nanostructures prepared using electrodeposition techniques are usually characterized using transmission electron microscopy and non-contact atomic force microscopy. The electrodeposition of gold12 on HOPG from acidic aqueous solutions was studied by using electrochemical techniques complemented with ex-situ scanning tunneling microscopy. The kinetics of gold electrodeposition are consistent with a nucleation and three-dimensional growth process. A model including a potential-dependent energy barrier at step edges accounts for the morphology transition for gold electrodeposition on HOPG. It was shown12 that dendritic aggregates are produced when the gold surface is negatively charged at potential less than the potential of zero charge. Such growth behavior results from the anisotropic corner surface diffusion caused by the varying energy barriers for the diffusion of surface atoms at step edges, as has been observed for metal deposition from vapor. Rounded kinked gold crystals are formed when the gold surface is positively charged at potential greater than the potential of zero charge. This was attributed to the leveling and lowering of barrier heights at step edges induced by Cl– ion adsorption on gold aggregates. A potentiostatic-pulse method was used11 to electrochemically deposit silver nanocrystallites on the atomically smooth graphite basal-plane surface. The particles were disc-shaped and well separated, with a height of 1.5–5 nm and an apparent diameter of 20–60 nm.

It has been often found that the result of electrodeposition using a carbon substrate is weaker than that with a metallic substrate. The surface morphologies of the nanostructures that are formed on carbon substrates have been found to be faceted.
CONCLUSION

Template-assisted electrodeposition is a versatile technique to synthesize various kinds of arrays, nanoparticles, and nanowires with a desired structure. Its flexibility gives the opportunity to have nanomaterials of desired surface morphologies.

The synthesis of nanostructures using template-assisted electrodeposition is an emerging area in nanoscience and technology with the possibility of numerous applications in micro and nanodevices. Although a variety of templates and electrodeposition processes are reported in the literature, the universal application of such templates for depositing metallic nanostructures with controlled and well-defined morphologies is missing. The major problem with using electrodeposition to synthesize nanostructure is the preparation of proper templates. Electrodeposition is highly influenced by the surface characteristics of the electrode substrate, and the shape and size of the deposit depend on the substrate. Therefore, further study of electrode surfaces and subsequent surface engineering are essential to develop active templates for the successful synthesis of nanostructures using electrodeposition. In order to understand the preferential deposition on a particular site of the electrode substrate, further studies on the fundamentals of the nucleation and growth of nanoparticles are needed.

Sitio Web: http://www.tms.org/pubs/journals/JOM/0401/Bera-0401.html

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Tecnologías

Drug Discovery

De las diferentes plataformas tecnológicas del proyecto ONCNOSIS saldrá un número muy elevado de nuevas dianas con posible relevancia terapéutica. Es por ello que uno de los objetivos de la plataforma de Drug Screening es conseguir un mayor rendimiento en el descubrimiento de nuevas entidades químicas que modulen estas nuevas dianas. Para poder hacer frente a este incremento de dianas, a la gran diversidad química (sobretodo generada mediante química combinatoria), y a la demanda de nuevos fármacos, se utilizarán tecnologías de screening de alto rendimiento o High-Throughput Screening (HTS), utilizando la robótica y la automatización

Proteómica

     La proteómica pretende estudiar completa la visión genómica de una manera funcional, estudiando directamente los péptidos y proteínas expresados por las células

     El estudio del proteoma directamente puede darnos información sobre péptidos y proteínas que estan implicados en una patología, y en especial en el cáncer. 

     Este proyecto no pretende ir a seleccionar directamente péptidos y proteínas diferenciales en los sueros de los pacientespara poder identificar buenos biomarcadores para un diagnostico precoz. Para ello nos valdremos de nuevas tecnologías como son las genotecas de fragmentos de anticuerpo expresadas sobre fagos filamentosos, las micromatrices de anticuerpos y identificación a través de la espectrometría de masas.

Genómica

     La genómica funcional es la ciencia que se centra en vincular la información molecular copilada en el DNA con una comprensión útil de la función de los genes y del efecto de la regulación de su expresión: el cómo, cuando y con qué finalidad se activa o reprime su expresión en función de las condiciones del organismo y/o el tejido en estudio.

     Las plataformas de genómica funcional en base a tecnología de micromatrices de DNA (DNA microarrays) permiten el estudio masivo y comparativo de los genes. Hoy, disponemos de micromatrices de alta densidad de respuesta que nos permiten determinar el comportamiento de todos los genes del ser humano (más de 22000 genes) mediante un único análisis.

     Los avances recientes en genómica están suponiendo una revolución en nuestra capacidad de entender los mecanismos moleculares de las enfermedades, incluyendo la compleja interacción entre factores puramente genéticos y factores ambientales. La genómica está siendo crucial en el desarrollo de tendencias rompedoras de tratamiento de enfermedades al aportar información de cientos de nuevas dianas terapéuticas base del desarrollo de nuevos fármacos y biomarcadores en los que fundamentar nuevas estrategias de diagnóstico y pronóstico que ayuden a un tratamiento mejor dirigido, incluso personalizado, de enfermedades altamente complejas como el cáncer o enfermedades neurodegenerativas.

     Nuestro proyecto pretende emplear las plataformas genómicas más innovadoras, de última generación, en el descubrimiento de nuevas líneas de tratamiento y diagnóstico del cáncer.

Nanotecnología

     Si la anterior era había permitido el control y manipulación a escala micrométrica (1 micra = 10-6 m), las nuevas tecnologías basadas en la utilización de microscopios de fuerza atómica y electrónicos permiten observar y controlar los crecimientos de nanosistemas prácticamente a nivel atómico.

Ilustración 1: Escala de dimensiones, comparación de las estructuras naturales y manufacturadas.

     La palabra "nanotecnología" es usada extensivamente para definir las ciencias y técnicas que se aplican al un nivel de nanonométrico , estas medidas extremadamente pequeñas "nanos" que permiten trabajar y manipular las estructuras moleculares y sus átomos. En síntesis nos llevaría a la posibilidad de fabricar materiales y máquinas a partir del reordenamiento de átomos y moléculas.

     Cuando se manipula la materia a la escala tan minúscula de átomos y moléculas, demuestra fenómenos y propiedades totalmente nuevas. Por lo tanto, científicos utilizan la nanotecnología para crear materiales, aparatos y sistemas novedosos y poco costosos con propiedades únicas.

Ilustración 2: Convergencia multidisciplinar en la Nanotecnología.

     En este proyecto se desarrollara en el ámbito de la nanobiotecnología , una creciente disciplina y un nuevo e interesante campo de investigaciones que se mueve entre la biología, la física , la química y la microelectrónica. La investigación en esta área permitirá desarrollar una nueva generación de biosensores y biochips para la monitorización de la salud y el desarrollo de nanopartículas biocompatibles para el diagnóstico y la terapia.

Sitio Web: http://www.oncnosis.com/proyecto/tecnologias/index.php

ANGGIE M. NAVAS G. CRF

Nanotecnología hasta en la sopa

Atomo por átomo. Así trabajan los 300 'nanocientíficos' argentinos. El área de salud verá los primeros frutos y el impacto llegará a varias industrias. Un minimundo que se agiganta. 

Por Florencia Gilardón. Especial para Clarin.com. 

informedeldia@claringlobal.com.ar

Nanotecnología es sinónimo de futuro. Y de presente, pues en nuestro país, como en el resto del mundo, miles de científicos trabajan con átomos. Aquí nomás, en el laboratorio del primer piso del Pabellón II de Ciudad Universitaria, un grupo de estudiantes con guardapolvos blancos coquetea con la nanociencia. Investigan y trabajan rodeados de computadoras y sofisticados equipos. "La nanociencia se refiere a objetos del tamaño del nanómetro: es la millonésima parte de un milímetro. La escala es un millón de veces más chica que un milímetro y es el tamaño de las moléculas", explica el Dr. Ernesto Calvo, Profesor titular de Química-Física de la Universidad de Buenos Aires (UBA) e investigador principal del Conicet. "No va a haber una industria nanotecnológica, va a haber nanotecnología en todas las industrias", vaticina. 

En la Argentina ya se armaron las primeras redes de investigación. En la UBA funciona el laboratorio de electroquímica molecular, en La Plata está el INIFTA que cuenta con un laboratorio de nanoscopía, en el Instituto Balseiro, en Bariloche, hacen física en nanoescala. También se investiga en la Comisión de Energía Atómica y en varios sitios de la provincia de Córdoba. "Hubo un llamado de la Secretaría de Ciencia y Tecnología de la Nación y se propuso crear dos redes que reúnen a 50 investigadores principales cada una y a cientos de estudiantes. Casi 300 personas en toda la Argentina se dedican a nanociencia y nanotecnología", dice el Dr. Calvo. Aquí, como en Chile y Brasil (Institutos Millenium), la idea es crear un centro virtual de excelencia científica para que nadie quede afuera de los beneficios que estas investigaciones pueden reportar a toda la humanidad. 

La nanotecnología y la nanociencia (N&N) comprenden el estudio de objetos que en al menos una dimensión tiene entre 1 y 100 nanómetros. Las propiedades de los sistemas nanoscópicos no se rigen por las leyes físicas que describen al mundo macroscópico en el que vivimos y conocemos, sino por las leyes de la mecánica cuántica. Es un nuevo mundo diminuto que se proyecta como la gran revolución del Siglo XXI. Los materiales y dispositivos nanotecnológicos poseen un tamaño mínimo que se ubica entre átomos y moléculas. "A mi modo de ver, los principios de la física no se pronuncian en contra de la posibilidad de maniobrar las cosas átomo por átomo", había dicho, Richard Feynman, considerado el padre de la nanociencia y ganador del Premio Nobel de Física en 1965. 

El desarrollo de la actividad depende del trabajo interdisciplinario entre físicos, químicos, biólogos e ingenieros. En tanto, las aplicaciones de la nanotecnología y la nanociencia son muy amplias: abarcan desde la electrónica, el diagnóstico médico, la terapéutica, los materiales inteligentes y hasta la cosmética, entre otras áreas de progreso. "Básicamente, la nanotecnología tiene que ver con que las propiedades de las cosas son en función del tamaño. Por ejemplo, un anillo de oro es amarillo y en un milímetro hay miles de millones de átomos que en conjunto interactúan con la luz para verlo como lo conocemos. Si hiciéramos ese anillo muy chiquitito y lo lleváramos a nanómetros ya no sería amarillo. De hecho, hacemos pelotitas de oro de 20 nanómetros y son rojas. Y si las hacemos un poco más grandes son azules. Esto quiere decir que la luz interactúa con la materia en forma diferente y depende del tamaño. Las reglas de juego son distintas", explica el Dr. Calvo, ganador del Premio Guggenheim 2000 y el Premio Konex 2003 al Desarrollo Tecnológico. 

Pero, entre ambos mundos –macro y microscópico– existe un principio de cierta correspondencia. "De alguna manera significa: copiemos a la naturaleza y a la biología con las herramientas de la física y de la química. La nanociencia describe esas propiedades y nanotecnología es el uso práctico de eso para hacer cosas", afirma el Dr. Calvo. ¿Porqué no lo hicieron antes? Los dedos humanos son muy grandes y recién hace unos 20 años se inventaron las herramientas necesarias para poder ver átomos individuales, como el microscopio de fuerza atómica o el microscopio de túnel. "Si yo hubiera dicho esto cuando estudié en los años 70 en esta misma facultad, me llevaban al Hospital Borda. Y hoy, los podemos ver como algo de rutina y podemos construir cosas con átomos individuales", dice el Dr. Calvo en forma comparativa. 

La diferencia radica en que la nanotecnología se basa en el concepto de "bottom up" (de abajo hacia arriba), utiliza a los átomos y moléculas como si fueran ladrillos para construir cosas más grandes. En cambio, en la tecnología tradicional sucede a la inversa, todo se miniaturizó al límite. "Seguramente, en los próximos 5 años los primeros productos nanotecnológicos sean nanopartículas para hacer diagnóstico médico o terapéutica", vaticina este químico argentino que optó por trabajar en nuestro país después de rechazar una cantidad considerable de ofertas de trabajo en el exterior. "Parece ciencia ficción, pero qué pasaría si en vez de hacer operaciones invasivas, los médicos pudieran operar célula por célula con robots chiquitos del tamaño de una nanopartícula para matar a las células malignas", plantea el Dr. Calvo. 

En la actualidad el mercado global de productos nanotecnológicos maneja unos 45.000 millones de dólares. Y según, el Nanosciencie and Nanotechnology Initiative (NNI), que fue creado en Estados Unidos por el ex presidente Bill Clinton, la proyección para el año 2015 podría alcanzar el trillón de dólares en el área. Pero, el mundo de la ciencia debate varios aspectos primordiales: el uso ético y responsable de la nanotecnología. ¿Qué pasaría si se manipulan las nanopartículas para crear armas cada vez más potentes? De hecho, los nanotubos de carbono –descubiertos en Japón en 1991– tienen propiedades únicas. Conducen la electricidad millones de veces más rápido que el cobre, se pueden doblar y son más duros que el material más rígido que se pueda conocer, y ya se utilizan para hacer chalecos antibalas. 

Otro de los peligros es la brecha nanotecnológica mundial que se puede crear entre diferentes países. "Cuando uno explora la frontera del conocimiento hay que tener ciertas precauciones. Al manipular cosas nuevas, también se tienen que investigar las consecuencias. Habrá un gran impacto, por ejemplo en la salud pública. Pero, ¿quién se va a apropiar de éstos conocimientos?, pregunta el Dr. Calvo. El crecimiento de este nuevo mercado –que prevé la creación de 2 millones de empleos en 10 años– ya se demuestra en la extensa lista de patentes nanotecnológicas registradas por unas 28 empresas multinacionales. Las que más registros tienen son: IBM, Samsung, L´Oreal, Mitsubishi, LG y Hewlett-Packard, entre otras. "Una cosa interesante es ver dónde patentan y lo más importante es que todos los países tomen cartas en el asunto", concluye el Dr. Calvo.

Sitio web: http://www.clarin.com/diario/2005/05/04/conexiones/t-969912.htm

ANGGIE M. NAVAS G. CRF

Nanotechnology

¿Qué es? concepto, definición, significado...

La palabra "nanotecnología" es usada extensivamente para definir las ciencias y técnicas que se aplican al un nivel de nanoescala, esto es unas medidas extremadamente pequeñas "nanos" que permiten trabajar y manipular las estructuras moleculares y sus átomos. En síntesis nos llevaría a la posibilidad de fabricar materiales y máquinas a partir del reordenamiento de átomos y moléculas. El desarrollo de esta disciplina se produce a partir de las propuestas de Richard Feynman (Breve cronología historia de la nanotecnología).

La mejor definición de Nanotecnología que hemos encontrado es esta: La nanotecnologia es el estudio, diseño, creación, síntesis, manipulación y aplicación de materiales, aparatos y sistemas funcionales a través del control de la materia a nano escala, y la explotación de fenómenos y propiedades de la materia a nano escala.

Cuando se manipula la materia a la escala tan minúscula de átomos y moléculas, demuestra fenómenos y propiedades totalmente nuevas. Por lo tanto, científicos utilizan la nanotecnología para crear materiales, aparatos y sistemas novedosos y poco costosos con propiedades únicas.



Nos interesa, más que su concepto, lo que representa potencialmente dentro del conjunto de investigaciones y aplicaciones actuales cuyo propósito es crear nuevas estructuras y productos que tendrían un gran impacto en la industria, la medicina (nanomedicina), etc..
Esta nuevas estructuras con precisión atómica, tales como nanotubos de carbón, o pequeños instrumentos para el interior del cuerpo humano pueden introducirnos en una nueva era, tal como señala Charles Vest (ex-presidente del MIT). Los avances nanotecnológicos protagonizarían de esta forma la sociedad del conocimiento con multitud de desarrollos con una gran repercusión en su instrumentación empresarial y social.

La nanociencia está unida en gran medida desde la década de los 80 con Drexler y sus aportaciones a la"nanotecnología molecular", esto es, la construcción de nanomáquinas hechas de átomos y que son capaces de construir ellas mismas otros componentes moleculares. Desde entonces Eric Drexler (personal webpage), se le considera uno de los mayores visionarios sobre este tema. Ya en 1986, en su libro "Engines of creation" introdujo las promesas y peligros de la manipulación molecular. Actualmente preside el Foresight Institute.

El padre de la "nanociencia", es considerado Richard Feynman, premio Nóbel de Física, quién en 1959 propuso fabricar productos en base a un reordenamiento de átomos y moléculas. En 1959, el gran físico escribió un artículo que analizaba cómo los ordenadores trabajando con átomos individuales podrían consumir poquísima energía y conseguir velocidades asombrosas.

Existe un gran consenso en que la nanotecnología nos llevará a una segunda revolución industrial en el siglo XXI tal como anunció hace unos años, Charles Vest (ex-presidente del MIT).

Supondrá numerosos avances para muchas industrias y nuevos materiales con propiedades extraordinarias (desarrollar materiales más fuertes que el acero pero con solamente diez por ciento el peso), nuevas aplicaciones informáticas con componentes increíblemente más rápidos o sensores moleculares capaces de detectar y destruir células cancerígenas en las partes más dedlicadas del cuerpo humano como el cerebro, entre otras muchas aplicaciones.

Podemos decir que muchos progresos de la nanociencia estarán entre los grandes avances tecnológicos que cambiarán el mundo.

Sitio web: http://revolutions18.spaces.live.com/blog/cns!71FEB922005CC12B!235.entry

ANGGIE M. NAVAS G._CRF

Nanobateria ultraligera y delgada

Científicos del Instituto Politécnico Rensselaer en Nueva York han desarrollado un dispositivo para almacenar energía que fácilmente podría confundirse con una simple hoja de papel negro.

La nanobatería es ultraligera, delgada, completamente flexible y podrá adecuarse al diseño más complejo, a los equipos médicos y hasta a los vehículos de transporte, señalaron los científicos en un informe publicado en la revista 'Proceedings of the National Academy of Sciences'. Además, podrá funcionar a temperaturas de hasta 150 grados centígrados o 73 bajo cero.

Y su parecido a una hoja de papel no es accidente. Más del 90% es celulosa a la cual se han agregado nanotubos de carbono que actúan como electrodos, que permiten la conducción eléctrica y que son los que le dan el color negro.

La batería se puede enrollar, doblar o cortar en diferentes formas sin que pierda su capacidad generadora. También se puede montar una sobre otra, como una pila de papeles, para aumentar su generación energética.

"Esencialmente, es una hoja de papel normal, pero fabricada con mucha inteligencia", señaló Robert Linhardt, profesor de biocatálisis e Ingeniería Metabólica del Instituto y uno de los autores del estudio.

"Los componentes están unidos molecularmente; el nanotubo de carbono está impreso en el papel y el electrolito embebido en él. El resultado final es un dispositivo que se ve, se siente y pesa como el papel".

Sitio web: http://www.homoysapiens.com/2007/08/nanobateria-ultraligera-y-delgada.html

ANGGIE M. NAVAS G. CRF

Regenerar células con nanotecnología

ANGGIE M. NAVAS G. CRF

El Dr. Samuel I. Stupp, director del Institute of BioNanotechnology in Medicine de la Universidad Northwestern y uno de los científicos que está estudiando la combinación de la nanotecnología con la biología con el fin de lograr que el cuerpo humano se cure a sí mismo, ha logrado unos primeros resultados asombrosos.

En una asombrosa demostración de lo que la nanotecnología puede hacer en la medicina regenerativa, unos roedores de laboratorio paralizados por lesiones en la médula espinal recuperaron la capacidad para caminar seis semanas después de una simple inyección de un nanomaterial diseñado para tal fin. Stupp y sus colegas diseñaron unas moléculas con la capacidad de autoensamblarse para formar nanofibras una vez inyectadas en el cuerpo humano por medio de una jeringa.

"Inyectando moléculas diseñadas para autoensamblarse y formar nanoestructuras en el tejido de la médula espinal, hemos podido recuperar y regenerar con rapidez las neuronas dañadas", señala el Dr. Stupp. "Las nanofibras son la clave no sólo para evitar la formación de cicatrices perjudiciales en el tejido que inhiben la curación de la médula espinal, sino también para estimular la regeneración de células perdidas o dañadas.

Este trabajo podría tener implicaciones también para el Parkinson y el Alzheimer, enfermedades en las que las células cerebrales dejan de funcionar adecuadamente.

El trabajo de Stupp se encuadra en un área fundamental de la nanotecnología que algún día podría permitir a los médicos confeccionar y administrar a los pacientes tratamientos individualizados por medios hasta el momento inimaginables.

Nanotecnología inspirada en sistemas biológicos

La Nanotecnología y en general, las Nanociencias son importantes áreas del conocimiento actual. Entre sus numerosos aspectos hay que destacar el creciente interés que ha alcanzado la Nanotecnología inspirada en sistemas biológicos.

Esta nueva rama de la Nanotecnología estudia las propiedades de determinadas estructuras biológicas creadas por la naturaleza en escala nanométrica. Inspirados en estas ordenaciones naturales los científicos investigan y desarrollan nuevos nanosistemas artificiales con múltiples aplicaciones en medicina.

Asimismo, los virus más sencillos pueden considerarse sofisticadas nanomáquinas naturales. Son capaces de autoensamblarse, están dotados de extraordinarias propiedades físicas y químicas y realizan complejas funciones biológicas. Las partículas víricas adecuadamente modificadas mediante ingeniería de proteínas pueden actuar como nanomáquinas diseñadas para numerosas aplicaciones biomédicas, como la liberación de fármacos en el organismo de forma controlada y gradual. De igual forma los nanorrobots, formados por complejos proteicos, actúan como máquinas moleculares con una eficiencia con la que las máquinas diseñadas por los hombres apenas pueden soñar. La novedosa Gliconanotecnología integra la preparación de nanopartículas biofuncionales metálicas con numerosas aplicaciones en Nanomedicina.

Para el estudio de las interacciones y aplicaciones biológicas de todos estos sistemas se requiere el uso de técnicas analíticas avanzadas como la microscopía electrónica y de fuerzas atómicas, los biosensores, o la imagen por resonancia magnética.

Referencia electrónica: http://www.homoysapiens.com/2007/04/regenerar-celulas-con-nanotecnologia.html

ANGGIE M. NAVAS G. CRF

NANOELECTRÓNICA - ELECTRÓNICA MOLECULAR

Rosmar Niño Parra

CRF

La nanolectrónica estudia los fenómenos de transporte y distribución de carga y espín en la escala del nanómetro. Avances instrumentales en las últimas décadas han permitido la visualización en el espacio real y la manipulación controlada de los átomos. En paralelo las técnicas de litografía han ido reduciendo el tamaño de los motivos que se pueden fabricar, llegando en la actualidad la industria semiconductora a pistas de 90 nm en obleas de 300 mm de diámetro. Las dos aproximaciones científicas al mundo que separa lo atómico de lo macroscópico se conocen como "bottom-up" y "top-down". Éste es un mundo mesoscópico, donde las propiedades físicas no escalan con el tamaño y los efectos cuánticos como el confinamiento y la coherencia propician que añadir o quitar un átomo, haga que cambien drásticamente las cosas; es decir, un mundo donde el tamaño realmente importa. La implementación de la nanolectrónica en la tecnología actual será un proceso gradual, sustituyendo componentes individuales y eventualmente sistemas complejos. La microelectrónica, incluso con tamaños de puerta de transistor por debajo de los 50 nm, no es estrictamente una implementación de la nanolectrónica, ya que no hay una propiedad física relacionada con la reducción de tamaño que esté siendo utilizada. Aun así, la necesidad de la nanotecnología, y de la nanoelectrónica en particular, se justifica a menudo por el hecho de que la ley de Moore — relacionando la mejora de prestaciones con el tamaño más pequeño de los dispositivos — llega a su fin. Las razones son tanto económicas como físicas. Sin embargo este es un argumento debatible. La tecnología del Silicio avanzará con dificultad por este camino durante una década o más. Se espera mantener la tendencia integradora usando dieléctricos de alta K basados en Hafnio y puertas metálicas. Se prevé también que las prestaciones continuarán mejorándose durante 15 años optimizando el diseño del chip, haciendo un uso más eficiente del área de la oblea de Silicio. En el futuro se desplazará la tecnología de dispositivos actuales a dispositivos de superficie, como en los dispositivos tipo trigate.

Una nueva tecnología sólo remplaza una existente con éxito si mejora las prestaciones (incluyendo el coste efectivo) ordenes de magnitud, o si suministra características que la tecnología existente es físicamente incapaz de suministrar. Este es el reto, la búsqueda de nuevas propiedades, paradigmas y arquitecturas para crear la nueva nanoelectrónica

(Fig. 1   nanoelectrónica.jpg)

El estado del arte de la nanoelectrónica dividido en 6 apartados diferentes: Electrónica Molecular, Nanotubos de Carbono, Nanoestructuras semiconductoras, MEMS y NEMS, Interconectores, Espintrónica, y Computación Cuántica

Electrónica Molecular

Es el estudio de propiedades moleculares que pueden llevar al procesado de la información. Desde principios de los años noventa, se está dedicando un gran esfuerzo científico al desarrollo de una nueva electrónica basada en la utilización de materiales moleculares electroactivos. Estos materiales son de naturaleza orgánica, incluyendo desde moléculas de pequeño tamaño (10 átomos) hasta polímeros (macromoléculas), y son capaces de responder a estímulos eléctricos y luminosos de forma similar a los conductores y semiconductores inorgánicos. Sin lugar a dudas, el acontecimiento que más ha contribuido al desarrollo de los materiales moleculares electroactivos fue el descubrimiento de los polímeros conductores (plásticos que conducen la electricidad),    merecedor del premio Nobel de Química del año 2000. Nos encontramos, por tanto, ante nuevos materiales que nos ofrecen las propiedades eléctricas y ópticas de los metales y semiconductores, junto con las atractivas propiedades mecánicas, las ventajas de procesado y el bajo coste económico de los polímeros. A estas ventajas hay que añadir el gran potencial de la síntesis química para modificar las propiedades del material mediante cambios en la estructura química de los sistemas componentes. Los materiales moleculares electroactivos están siendo desarrollados industrialmente para su utilización en aplicaciones tan diversas como baterías orgánicas, músculos artificiales, pantallas de teléfonos móviles, células solares, "narices" electrónicas, etc. En el año 2001 se construyeron los primeros circuitos moleculares, utilizando unas moléculas llamadas rotaxanos, capaces de funcionar como un transistor. Aún se está muy lejos de poder ensamblar un chip utilizando estos materiales, pero las posibilidades son asombrosas

Nanotubos de Carbono

Los nanotubos de carbono son moléculas tubulares de carbono, con propiedades que los hacen muy atractivos y potencialmente útiles para aplicaciones como componentes eléctricos y mecánicos extremadamente pequeños. Exhiben una dureza inusual, propiedades electrónicas únicas y son unos conductores de calor extremadamente eficientes. Las buenas propiedades eléctricas, mecánicas, y químicas de los nanotubos de carbono les hacen candidatos para fabricar dispositivos tales como transistores a escala nanométrica, pantallas de emisión de campo, actuadores, etc.

Investigadores del Rensselaer Polytechnic Institute, junto a un equipo internacional de colaboradores, han descubierto cómo soldar entre sí nanotubos de carbono. También se ha descubierto recientemente que las propiedades semiconductoras de los nanotubos de carbono cambian en presencia de campos magnéticos, un fenómeno único, y que podría causar su transformación en metales a incluso mayores valores de campo magnético

En el 2004 se crecieron nanotubos de carbono de unos 4 cm. de longitud, y recientemente se han visualizado por TEM los átomos de Carbono individuales de SWT, demostrado la capacidad de soldarlos uno a continuación de otro y también de crecerlos sobre sustratos metálicos

Nanoestructuras Semiconductoras

Existen dispositivos tipo diodo y transistor que tienen el potencial de operar en la escala de los nanómetros, a velocidades ultra altas y con una densidad ultra alta de circuitos. Algunos de estos dispositivos pueden ser especialmente útiles debido a sus inéditas características de "output", permitiendo realizar operaciones con menos componentes de los usuales. Esta clasificación englobaría: Resonant Tunneling Hot Electron Transistor RHET, Resonant Tunneling Bipolar Transistor RTBT, Quantum Effect Devices QED, ElectronWaveguide Devices, Quantum Well Modulation Base Transistors, Lateral Quantum Devices, Coulomb Blockade Devices, etc.

 Estructuras de dimensiones nanoscópicas capaces de confinar electrones (incluso uno sólo) en niveles de energía discretos. Nanocristales de semiconductores muestran propiedades ópticas y electrónicas que dependen de su tamaño. Esto los hace extremadamente atractivos en aplicaciones como catálisis, celdas fotovoltaicas, láseres, transistores, etc

NEMS y MEMS

Una derivación actual de la tecnología microelectrónica es el desarrollo de MEMS (Micro-Electro-Mechanical-Systems) chips de silicio y otros materiales en los que se integran no sólo funciones de tipo electrónico convencional (microprocesadores) sino también nuevos elementos funcionales de todo tipo (microsensores, microactuadores, microfluídica, micromotores, microcomponentes ópticos) fabricados mediante técnicas litográficas y de micromecanización por ataque químico anisótropo, similares a las ya conocidas en microelectrónica. Este campo no ha hecho más que nacer y ya se prevé su evolución inmediata, a partir de un desarrollo natural de ingeniería (top-down) no sólo reduciendo aún más su escala sino introduciendo aspectos y procesos típicos de la nanotecnología para dar lugar a los denominados NEMS. En algunos de ellos, por ejemplo, se integran dispositivos nanomecánicos, en otros, utilizando técnicas litográficas o de auto-ensamblado de moléculas orgánicas complejas como proteínas o fragmentos de ADN se integran funciones de reconocimiento bioquímico o biosensores. Importantísimo y relacionado con este, es el campo de los Biochips o "DNA Microarrays" que se ha desarrollado ya enormemente, permitiendo la identificación rápida y económica de grandes sectores del genoma. Actualmente existen ya unas 30 empresas fabricando y comercializando estos "Genome arrays" capaces de identificar del orden de 10.000 fragmentos en un solo chip. Se cree que no está lejos el momento en que se pueda comercializar un chip personal que analice todo el genoma y permita obtener un informe detallado de los condicionantes genéticos más relevantes de cada persona.

Existen muchas otras aplicaciones de los biochips. Por ejemplo, los microarrays de proteínas que se están introduciendo en el campo de la investigación en proteómica, permiten cuantificar todas las proteínas expresadas en una célula. El marcado de los fragmentos que hasta hace poco tiempo se hacía mediante sustancias fluorescentes ha progresado enormemente mediante la adopción de una técnica procedente del campo de los semiconductores y la optoelectrónica: el marcado, casi un código de barras óptico, mediante nanopartículas de semiconductores, los llamados puntos cuánticos. Es un caso paradigmático de interacción interdisciplinar entre la bioquímica y la física cuántica que ha esultado extraordinariamente fructífero, pues estos nuevos marcadores son muy selectivos, estables y no interaccionan ni modifican químicamente las proteínas marcadas.

En este sentido, destacaría el campo de los NEMS actuados magnéticamente, con aplicaciones muy prometedoras en biotecnología, en instrumentación y en estudios fundamentales.

Interconectores

Uno de los principales retos en la fabricación de dispositivos nanoelectrónicos es la conexión entre diferentes componentes. Para esto hay varios candidatos (fig. 2  interconectores.jpg)

El factor limitante de la tecnología semiconductora actual se debe a la disipación de energía. Esta disipación se acelera a velocidades de conmutación elevadas. En nanoestrucuras metálicas, tamaño del orden de la longitud de onda electrónica (unos pocos Å) y longitud menor que el recorrido libre medio (distancia entre colisiones) el transporte es balístico. Esto quiere decir que los electrones no disipan energía en la nanoestructura. Dependiendo de los diseños nanoelectrónicos, y especialmente para la computación cuántica, es importante que se mantenga la coherencia electrónica, que el portador de carga no pierda memoria de su fase. El estado superconductor por ejemplo, es un estado coherente macroscópico, con innumerables aplicaciones hoy en día. Los diseños de circuitos nanoelectrónicos usarán estas propiedades para realizar operaciones de forma rápida y eficiente. Dentro de este campo cabría destacar los trabajos en las supramoléculas unidimensionales conductoras. Los polímeros metal-metal-haluro (MMX) demuestran interesantes propiedades eléctricas y magnéticas y se perfilan como una posible  alternativa a los nanotubos de carbono

 

Espintrónica y nanoestructuras magnéticas

Los dispositivos activos actuales están basados todos, en mayor o menor medida, en la carga del electrón, que fue descubierto a finales del siglo XIX. Recientemente hemos aprendido a hacer uso selectivo de los dos canales de espín. El primer dispositivo espintrónico es el cabezal de lectura de información magnética basado en la magnetorresistencia gigante. El principio es la diferente tasa de dispersión (scattering) a que están sujetos los diferentes canales de espín. Esto hace que una orientación antiparalela de la imanación en las capas magnéticas presente un estado de resistencia alta, y que la orientación paralela presente un estado de resistencia baja. Estos dispositivos se encuentran en los cabezales de los discos duros y el descubrimiento del fenómeno ha merecido el premio Nobel de Física del año 2007 a Albert Fert y Peter Grunberg. En las tecnologías de grabación magnética se desarrollan esfuerzos considerables en medios con anisotropías oblicuas, en medios con la imanación perpendicular y en medios litografiados. Las memorias magnéticas basadas en las uniones túnel ferromagnéticas MRAM han llegado al mercado recientemente (Freescale (4 Mbit MRAM, en el 2006) NEC, Micromem...).

En España hay una excelente comunidad de investigación en magnetismo, trabajando en varios problemas fundamentales y aplicados en la escala nanométrica.

Dentro de este campo cabe destacar los esfuerzos que se están realizando en:

_ Inyección de espín polarizado

_ Válvulas de espín

_ Transistores de espín

_ Túnel de espín

_ Efectos dinámicos y de precesión

_ Propiedades de redes de nanoelementos magnéticos

_ Nanopartículas magnéticas

_ Magnetismo en sistemas no convencionales

_ Biomagnetismo

_ NEMS magnéticos

En este campo cabría destacar iniciativas como el Magnetic Race Track Memory, (S. Parkin et al. IBM) donde la información se graba en paredes magnéticas, un "viejo" empeño de la comunidad magnética (como la memoria de burbuja, bubble memories de los años 70) de crear memorias magnéticas en dispositivos sin partes mecánicas móviles.

Aún compitiendo con tecnologías variadas (materiales de cambio de fase, memorias Flash....) en términos de velocidad de acceso, capacidad de información, fiabilidad, etc., se augura un buen futuro para el disco duro. Para terminar, hay que destacar que este año se ha "inaugurado" oficialmente la era del terabyte, pudiéndose adquirir en el mercado discos duros de esta capacidad

Computación Cuántica

En 1948 Claude Shannon define matemáticamente el concepto de información: con su Teorema de Codificación sobre un Canal sin Ruido, su Teorema de Codificación sobre un Canal Ruidoso y los códigos de corrección de errores. Esto da lugar a la Teoría de la Información. La información y la lógica, el arte de manejar la información, no pueden existir desligadas de las leyes de la naturaleza. En el mundo cuántico la unidad de información es el "qubit" (bit cuántico). Además:

_ La información cuántica no se puede copiar con fidelidad perfecta;

_ La información cuántica se puede transferir con fidelidad perfecta;

_ La medida llevada a cabo en un sistema cuántico destruye la mayoría de la información contenida en él;

_ Sólo se pueden hacer predicciones probabilísticas sobre la base en la que un estado cuántico acabará después de la medida;

_ Ciertos observables no pueden tener simultáneamente valores precisos definidos;

_ La información cuántica puede estar codificada (y generalmente lo está) en correlaciones no locales entre las diferentes partes de un sistema físico;

Los requisitos para fabricar un ordenador cuántico son:

_ Un sistema físico escalable con qubits bien definidos.

_ La habilidad de inicializar el estado de los qbits a un estado arbitrario como | 0000....>.

_ Tiempos largos de coherencia, mucho más largos que el tiempo de operación de las puertas.

_ Un conjunto "universal" de puertas cuánticas.

_ Una medida específica de qubits.

_ La capacidad de convertir qubits estacionarios a viajeros.

_ La capacidad de transmitir fielmente qubits entre sitios específicos.

Se ha demostrado la fabricación de qubits en trampas de iones, cavidades de alto Q, RMN en líquidos y redes de uniones Josephson. Recientemente se ha demostrado experimentalmente que fotones únicos pueden transferir información cuántica entre qubits relativamente distantes.

La nanoelectrónica será, sin lugar a duda, la tecnología del futuro. Su implementación será un proceso gradual, sustituyendo componentes individuales y eventualmente sistemas complejos de forma integra. Las expectativas son grandes, aunque aún está por definir el heredero del transistor. Ése es actualmente el campo de investigación más activo, la fabricación y caracterización de componentes individuales que remplacen a los de Si. Ejemplos son los diodos moleculares, interruptores monoatómicos y el control del transporte en estructuras de punto cuántico. Un segundo campo, con bastante actividad, es la investigación en los posibles interconectores. Aquí, principalmente los nanotubos de carbono y estructuras metálicas u orgánicas auto-ensambladas, están siendo investigados. Muy poco trabajo se está haciendo en las arquitecturas, y el modelado con poder predictivo está en etapas incipientes. Esto es necesario para desarrollar reglas básicas ingenieriles para diseñar sistemas complejos. La situación de la computación cuántica es diferente. Hay mucha actividad en el desarrollo conceptual y de algoritmos. Las implementaciones experimentales de los qubits y del transporte de información entre qubits están comenzando. Quizá una excepción notable es el campo de la criptografía (transporte de información), donde la existencia de estados entrelazados de fotones viajando por guías convencionales ha sido demostrada experimentalmente.

A nivel más general, no está claro con toda certeza que sean los electrones el método elegido para procesar información a largo plazo. La nanoelectrónica debe ser entendida como un campo de investigación general, dirigido a desarrollar el entendimiento de los fenómenos característicos de los objetos nanométricos con la meta de explotarlos en el procesado de la información.

Paginas web:

http://www.phantomsnet.net/Resources/files/Nanoeletronica_alta.pdf